新疆棉花//花生間作碳足跡研究

趙亞飛，李 強，侯獻飛，司 彤，王銘倫，王月福，鄒曉霞*

(1. 青島農業大學山東省旱作農業技術重點實驗室，山東 青島 266109；2. 新疆農業科學院經濟作物研究所，新疆 烏魯木齊 830091)

氣候變暖已成為當前國際社會面臨的一個重要環境問題，該變化的主導因素之一是人類活動導致的碳排放增加[1-2]，而農業生產中的二氧化碳、氧化亞氮和甲烷等溫室氣體排放在全球氣候變暖中起著重要作用[3]。但是，作為第一產業的農業相比于其他產業，在減少溫室氣體排放的同時，兼有提高地力、改善土壤結構和農業環境品質等效應[4]，而這些效應對促進我國農業可持續發展大有裨益[5]，如何在進一步提高農業生產效率的同時不逾越資源與環境的承載能力，是實現農業可持續發展的關鍵[6]。采取有效種植模式及耕作措施來減少溫室氣體排放是農業生產中亟待解決的問題[7]，而明確農業生產各環節的碳足跡是解決此問題的先決條件。

隨著鄉村振興戰略的實施，中國耕地利用轉型發展成為主要趨勢，其顯性形態變化主要指空間結構的改變，耕地利用轉型將導致農業碳排放和農作物植被碳源匯性能的重要變化，同時對農業碳排放產生重要影響[8]。合理利用不同農作物之間的生態位差別，選取適當的間套作模式，可以有效提高土地利用效率，是中國傳統農業種植模式之一[9]。棉花//花生間作可以作為一種提高土地利用率、改善土壤養分的耕作方式，其不僅可以提高作物產量，而且具有較高的經濟效益和生態效益[10-12]，研究發現，棉花//花生間作可以相互提供所需養分，且不會產生競爭現象[13]，有利于肥料的合理運籌，經濟高效[14]，花生可以為棉花提供自身所固定的氮，棉花可以為花生提供自身活化土壤中的磷[15]，棉花//花生間作時，花生促進了棉花的養分吸收，或者說棉花的競爭性相對較強，整體表現為經濟效益有所提高[16]。

碳足跡(carbon footprint，CF)是對人為干擾引起的CO2排放量的度量[17]，在低碳農業發展中，對碳足跡的研究可作為指標進行參考。當前國內在玉米[18-20]、小麥[18-20]、棉花[21]等作物上均有對碳足跡的研究，但棉花//花生間作生產相關過程未見研究報道。因此，本文根據兩種作物生命周期特征，構建了棉花//花生間作碳足跡模型，計算棉花//花生等幅間作模式下農田碳足跡，并與花生單作、棉花單作兩種常規種植方式相比較，明確棉花//花生間作種植模式下主要的碳足跡來源，探索高效的農田管理措施，在保障棉花//花生間作種植模式具有高效益的同時，可以降低農田的溫室氣體排放，從而為實現經濟與生態的協同效益提供理論依據。

1 研究方法

1.1 研究區概況及數據來源

新疆作為我國棉花主產區之一，2017年種植面積達到1963.1 hm2，占全國棉花種植面積的80%，居全國第一位，總產408.2萬t，居全國第一位。本文以新疆維吾爾自治區喀什地區疏勒縣(38°50′～39°28′N，75°57′～76°55′E)棉花、花生種植田為對象開展研究，該地區屬暖溫帶大陸性干旱型氣候，四季分明，日照長，降水少，蒸發強；年平均氣溫11.8℃，1月平均氣溫-6.5℃，7月平均氣溫25.8℃。

選取當地典型棉花//花生間作、棉花單作、花生單作三種種植模式，調查收集各種植模式下的農業生產信息資料，包括秸稈還田、農資投入、氮肥施用、農機使用及能耗情況等。

1.2 碳足跡核算邊界

文中碳足跡核算的基線情景包括：花生單作模式和棉花單作模式；項目情景包括：棉花//花生等幅間作。邊界內碳排放核算包括下述4個板塊：①農資投入(包括種子、肥料、農藥、地膜等)碳排放；②農機耗能(包括耕地、播種、收獲、灌溉)導致的碳排放；③秸稈還田造成的碳排放；④氮肥施用導致的田間N2O排放(圖1)。所有模塊的核算均采用單位面積(hm2)數據。碳足跡核算方法及參數確定參見文獻[22]。

2 結果與分析

2.1 棉花//花生間作成本效益

表1可見，三種種植模式總投入成本相比較而言，花生單作>棉花//花生間作>棉花單作。統計發現種子占花生生產環節中總投入成本比重最高，而棉花生產環節人工的投入占總投入成本比重最高。三種種植模式中棉花//花生間作的凈收益最高，約為棉花單作的1.4倍、花生單作的1.2倍。

表1 棉花//花生間作成本效益核算(元/hm2)

圖1 棉花//花生寬幅間作模式碳足跡核算邊界 Fig.1 System boundary for carbon footprint of cotton-peanut intercropping

2.2 棉花//花生間作種植模式碳足跡

2.2.1 單位面積碳足跡核算

圖2可見，棉花生產過程單位面積碳排放量最高，為5479.9kg CO2-eq/hm2，花生次之，為5089.7kg CO2-eq/hm2，棉花//花生間作最低，為4878.4kg CO2-eq/hm2。棉花//花生間作單位面積碳排放量比棉花單作低11.0%，比花生單作低4.1%。三種種植模式的碳排放均主要來自施肥和地膜使用。

2.2.2 單位產值碳排放

圖3可見，就單作種植模式而言，棉花單作生產環節單位凈產值碳排放最高，為0.6kg CO2-eq/元，花生次之，為0.5kg CO2-eq/元，棉花//花生間作最低，為0.4kg CO2-eq/元，即在獲得相同經濟效益的情況下，棉花//花生間作生產環節產生的碳排放量比棉花低33.3%，比花生低20.0%。

圖3 不同種植模式單位凈產值碳排放 Fig.3 Carbon emissions per unit output value of different cropping patterns

圖4 不同種植模式碳足跡構成 Fig.4 Composition of carbon footprint in different planting patterns

2.2.3 碳足跡構成

圖4可看出，3種種植模式生產過程中的碳排放主要來自施肥過程(包括施用肥料、施肥后田間N2O排放)導致的碳排放量，其在棉花生產過程占44.0%，在花生生產過程中占37.0%，在棉花//花生間作生產過程中占38.0%；其次是來自地膜投入導致的碳排放，其在棉花生產過程占29.0%，在花生生產過程占31.0%，在棉花//花生間作生產過程占32.0%，另外，生產過程中來自農機的碳排放量也不容忽視，其在棉花生產過程占18.0%，在花生生產過程占18.0%，在棉花//花生間作生產過程占20.0%。

3 討論

棉花//花生間作的凈收益是棉花單作的1.4倍、花生單作的1.2倍(表1)，單位面積碳排放均低于棉花單作、花生單作(圖2)，由此可見，與棉花、花生單作比較，棉花//花生間作可以提高收益的同時降低單位面積碳排放量，對實現低碳生產，保障糧食、油脂與飼草安全，提高生態、環境、經濟效益有重大意義。相關研究表明，施肥導致農田溫室氣體過量排放[19,21]，尤其是農田中施用氮肥，占總排放的44%～79%[23]。本研究發現，棉花//花生間作生產過程中來自肥料(包括施用肥料、施肥后田間N2O排放)的碳排放占總排放的38.0%，棉花單作生產過程占總排放的44.0%，花生單作生產過程占總排放的37.0%。農田中肥料的施用導致高強度的碳排放，其中非常重要的一個原因是肥料生產過程的高碳排放，Zhang等大量調研分析我國的化肥生產環節過程發現，溫室氣體排放系數以氮肥生產環節為最高，為8.20 kg CO2eq/kgN，如果采用更先進的生產技術，溫室氣體排放系數可降到4.7～5.8 kg CO2eq/kgN[24]，屆時棉花//花生間作生產環節的碳排放將繼續降低。同時，化肥的過量及不合理的使用[25]，造成環境污染，土壤污染，水污染，大氣污染[26]。因此，通過合理的施肥方式，如根據土壤類型合理選擇肥料，按照作物營養時期分段進行施肥，有機肥與化肥配合使用，大量元素與微量元素配合等措施，提高肥料利用效率，降低肥料的投入[27]，將大大降低農業生產過程的溫室氣體排放，改善生態環境質量。另外，作物生產環節來自地膜的碳排放也不容忽視，占花生單作總排放的31.0%，占棉花單作總排放的29.0%，占棉花//花生間作總排放的32.0%，僅次于肥料。王占彪等研究得出，地膜是導致棉花生產過程中溫室氣體排放較高的主要因素，占總排放的17.3%[21]。另外地膜的不合理使用，如地膜的殘留會破壞土壤的理化性質[28]，改變作物合理的種植環境[29]，如果可以采取有效措施，如降低地膜在田間的殘留率，提高適期揭膜技術[30]，或研發新型綠色地膜，降低地膜殘留污染，對發展低碳綠色農業有積極作用。

4 結論

棉花//花生間作的凈收益是棉花單作的1.4倍、花生單作的1.2倍，單位面積碳排放均低于棉花單作、花生單作，棉花、花生單作與棉花//花生間作相比，可以實現高產出與低碳排放的協同效益，符合綠色、高產、高效農業發展需求。同時，若能通過科學研發技術的改進，或加強田間管理措施，對降低肥料和地膜的投入，棉花//花生間作模式將有更大的減排空間。